source: trunk/LMDZ.GENERIC/libf/phystd/rain.F90 @ 997

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23/01/2013 == JL

  • Correction in largescale. a rneb factor was forgotten
  • Added some spectra in ave_stelpec
  • Corrected reevaporation in rain. Now conserve water better


File size: 13.8 KB
Line 
1subroutine rain(ngrid,nq,ptimestep,pplev,pplay,t,pdt,pq,pdq,d_t,dqrain,dqsrain,dqssnow,rneb)
2
3
4! to use  'getin'
5  use ioipsl_getincom
6  use watercommon_h, only: T_h2O_ice_liq,T_h2O_ice_clouds, RLVTT, RCPD, RCPV, RV, RVTMP2,Psat_water,Tsat_water,rhowater
7  use radii_mod, only: h2o_cloudrad
8  USE tracer_h
9  implicit none
10
11!==================================================================
12!     
13!     Purpose
14!     -------
15!     Calculates H2O precipitation using simplified microphysics.
16!     
17!     Authors
18!     -------
19!     Adapted from the LMDTERRE code by R. Wordsworth (2009)
20!     Added rain vaporization in case of T>Tsat
21!     Original author Z. X. Li (1993)
22!     
23!==================================================================
24
25#include "dimensions.h"
26#include "dimphys.h"
27#include "comcstfi.h"
28#include "callkeys.h"
29
30!     Arguments
31      integer,intent(in) :: ngrid ! number of atmospherci columns
32      integer,intent(in) :: nq ! number of tracers
33      real,intent(in) :: ptimestep    ! time interval
34      real,intent(in) :: pplev(ngrid,nlayermx+1) ! inter-layer pressure (Pa)
35      real,intent(in) :: pplay(ngrid,nlayermx)   ! mid-layer pressure (Pa)
36      real,intent(in) :: t(ngrid,nlayermx) ! input temperature (K)
37      real,intent(in) :: pdt(ngrid,nlayermx) ! input tendency on temperature (K/s)     
38      real,intent(in) :: pq(ngrid,nlayermx,nq)  ! tracers (kg/kg)
39      real,intent(in) :: pdq(ngrid,nlayermx,nq) ! input tendency on tracers
40      real,intent(out) :: d_t(ngrid,nlayermx) ! temperature tendency (K/s)
41      real,intent(out) :: dqrain(ngrid,nlayermx,nq) ! tendency of H2O precipitation (kg/kg.s-1)
42      real,intent(out) :: dqsrain(ngrid)  ! rain flux at the surface (kg.m-2.s-1)
43      real,intent(out) :: dqssnow(ngrid)  ! snow flux at the surface (kg.m-2.s-1)
44      real,intent(in) :: rneb(ngrid,nlayermx) ! cloud fraction
45
46      REAL zt(ngrid,nlayermx)         ! working temperature (K)
47      REAL ql(ngrid,nlayermx)         ! liquid water (Kg/Kg)
48      REAL q(ngrid,nlayermx)          ! specific humidity (Kg/Kg)
49      REAL d_q(ngrid,nlayermx)        ! water vapor increment
50      REAL d_ql(ngrid,nlayermx)       ! liquid water / ice increment
51
52!     Subroutine options
53      REAL,PARAMETER :: seuil_neb=0.001  ! Nebulosity threshold
54
55      INTEGER,save :: precip_scheme      ! id number for precipitaion scheme
56!     for simple scheme  (precip_scheme=1)
57      REAL,SAVE :: rainthreshold                ! Precipitation threshold in simple scheme
58!     for sundquist scheme  (precip_scheme=2-3)
59      REAL,SAVE :: cloud_sat                    ! Precipitation threshold in non simple scheme
60      REAL,SAVE :: precip_timescale             ! Precipitation timescale
61!     for Boucher scheme  (precip_scheme=4)
62      REAL,SAVE :: Cboucher ! Precipitation constant in Boucher 95 scheme
63      REAL,PARAMETER :: Kboucher=1.19E8
64      REAL,SAVE :: c1
65
66      INTEGER,PARAMETER :: ninter=5
67
68      logical,parameter :: evap_prec=.true. ! Does the rain evaporate?
69
70!     for simple scheme
71      real,parameter :: t_crit=218.0
72      real lconvert
73
74!     Local variables
75      INTEGER i, k, n
76      REAL zqs(ngrid,nlayermx),Tsat(ngrid,nlayermx), zdelta, zcor
77      REAL zrfl(ngrid), zrfln(ngrid), zqev, zqevt
78
79      REAL zoliq(ngrid)
80      REAL zdz(ngrid),zrho(ngrid),ztot(ngrid), zrhol(ngrid)
81      REAL zchau(ngrid),zfroi(ngrid),zfrac(ngrid),zneb(ngrid)
82
83      real reffh2oliq(ngrid,nlayermx),reffh2oice(ngrid,nlayermx)
84 
85      real ttemp, ptemp, psat_tmp
86      real tnext(ngrid,nlayermx)
87
88      real l2c(ngrid,nlayermx)
89      real dWtot
90
91
92!     Indices of water vapour and water ice tracers
93      INTEGER, SAVE :: i_vap=0  ! water vapour
94      INTEGER, SAVE :: i_ice=0  ! water ice
95
96      LOGICAL,SAVE :: firstcall=.true.
97
98!     Online functions
99      REAL fallv, fall2v, zzz ! falling speed of ice crystals
100      fallv (zzz) = 3.29 * ((zzz)**0.16)
101      fall2v (zzz) =10.6 * ((zzz)**0.31)  !for use with radii
102
103
104      IF (firstcall) THEN
105
106         i_vap=igcm_h2o_vap
107         i_ice=igcm_h2o_ice
108       
109         write(*,*) "rain: i_ice=",i_ice
110         write(*,*) "      i_vap=",i_vap
111
112         PRINT*, 'in rain.F, ninter=', ninter
113         PRINT*, 'in rain.F, evap_prec=', evap_prec
114
115         write(*,*) "Precipitation scheme to use?"
116         precip_scheme=1 ! default value
117         call getin("precip_scheme",precip_scheme)
118         write(*,*) " precip_scheme = ",precip_scheme
119
120         if (precip_scheme.eq.1) then
121            write(*,*) "rainthreshold in simple scheme?"
122            rainthreshold=0. ! default value
123            call getin("rainthreshold",rainthreshold)
124            write(*,*) " rainthreshold = ",rainthreshold
125
126         else if (precip_scheme.eq.2.or.precip_scheme.eq.3) then
127            write(*,*) "cloud water saturation level in non simple scheme?"
128            cloud_sat=2.6e-4   ! default value
129            call getin("cloud_sat",cloud_sat)
130            write(*,*) " cloud_sat = ",cloud_sat
131            write(*,*) "precipitation timescale in non simple scheme?"
132            precip_timescale=3600.  ! default value
133            call getin("precip_timescale",precip_timescale)
134            write(*,*) " precip_timescale = ",precip_timescale
135
136         else if (precip_scheme.eq.4) then
137            write(*,*) "multiplicative constant in Boucher 95 precip scheme"
138            Cboucher=1.   ! default value
139            call getin("Cboucher",Cboucher)
140            write(*,*) " Cboucher = ",Cboucher 
141            c1=1.00*1.097/rhowater*Cboucher*Kboucher 
142
143         endif
144
145         firstcall = .false.
146      ENDIF
147
148!     GCM -----> subroutine variables
149      DO k = 1, nlayermx
150      DO i = 1, ngrid
151
152         zt(i,k)   = t(i,k)+pdt(i,k)*ptimestep ! a big fat bug was here
153         q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)+pdq(i,k,i_vap)*ptimestep
154         ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)+pdq(i,k,i_ice)*ptimestep
155
156         !q(i,k)    = pq(i,k,i_vap)!+pdq(i,k,i_vap)
157         !ql(i,k)   = pq(i,k,i_ice)!+pdq(i,k,i_ice)
158
159         if(q(i,k).lt.0.)then ! if this is not done, we don't conserve water
160            q(i,k)=0.
161         endif
162         if(ql(i,k).lt.0.)then
163            ql(i,k)=0.
164         endif
165
166      ENDDO
167      ENDDO
168
169!     Initialise the outputs
170      DO k = 1, nlayermx
171      DO i = 1, ngrid
172         d_t(i,k) = 0.0
173         d_q(i,k) = 0.0
174         d_ql(i,k) = 0.0
175      ENDDO
176      ENDDO
177      DO i = 1, ngrid
178         zrfl(i)  = 0.0
179         zrfln(i) = 0.0
180      ENDDO
181
182      ! calculate saturation mixing ratio
183      DO k = 1, nlayermx
184         DO i = 1, ngrid
185            ttemp = zt(i,k)
186            ptemp = pplay(i,k)
187!            call watersat(ttemp,ptemp,zqs(i,k))
188            call Psat_water(ttemp,ptemp,psat_tmp,zqs(i,k))
189            call Tsat_water(ptemp,Tsat(i,k))
190         ENDDO
191      ENDDO
192
193      ! get column / layer conversion factor
194      DO k = 1, nlayermx
195         DO i = 1, ngrid
196            l2c(i,k)=(pplev(i,k)-pplev(i,k+1))/g
197         ENDDO
198      ENDDO
199
200
201      ! Vertical loop (from top to bottom)
202      ! We carry the rain with us and calculate that added by warm/cold precipitation
203      ! processes and that subtracted by evaporation at each level.
204      DO 9999 k = nlayermx, 1, -1
205
206         IF (evap_prec) THEN ! note no rneb dependence!
207            DO i = 1, ngrid
208               IF (zrfl(i) .GT.0.) THEN
209
210                  if(zt(i,k).gt.Tsat(i,k))then
211!!                   treat the case where all liquid water should boil
212                     zqev=MIN((zt(i,k)-Tsat(i,k))*RCPD*l2c(i,k)/RLVTT/ptimestep,zrfl(i))
213                     zrfl(i)=MAX(zrfl(i)-zqev,0.)
214                     d_q(i,k)=zqev/l2c(i,k)*ptimestep
215                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD
216                  else
217                     zqev = MAX (0.0, (zqs(i,k)-q(i,k)))*l2c(i,k)/ptimestep !there was a bug here
218                     zqevt= 2.0e-5*(1.0-q(i,k)/zqs(i,k))    & !default was 2.e-5
219                        *sqrt(zrfl(i))*l2c(i,k)/pplay(i,k)*zt(i,k)*R ! BC modif here
220                     zqevt = MAX (zqevt, 0.0)
221                     zqev  = MIN (zqev, zqevt)
222                     zqev  = MAX (zqev, 0.0)
223                     zrfln(i)= zrfl(i) - zqev
224                     zrfln(i)= max(zrfln(i),0.0)
225
226                     d_q(i,k) = - (zrfln(i)-zrfl(i))/l2c(i,k)*ptimestep
227                     !d_t(i,k) = d_q(i,k) * RLVTT/RCPD!/(1.0+RVTMP2*q(i,k)) ! double BC modif here
228                     d_t(i,k) = - d_q(i,k) * RLVTT/RCPD ! was bugged!
229                     zrfl(i)  = zrfln(i)
230                  end if
231                     
232
233               ENDIF
234            ENDDO
235         ENDIF
236
237         DO i = 1, ngrid
238            zoliq(i) = 0.0
239         ENDDO
240
241
242         if(precip_scheme.eq.1)then
243
244            DO i = 1, ngrid
245               ttemp = zt(i,k)
246               IF (ttemp .ge. T_h2O_ice_liq) THEN
247                  lconvert=rainthreshold
248               ELSEIF (ttemp .gt. t_crit) THEN
249                  lconvert=rainthreshold*(1.- t_crit/ttemp)
250                  lconvert=MAX(0.0,lconvert)             
251               ELSE
252                  lconvert=0.
253               ENDIF
254
255
256               IF (ql(i,k).gt.1.e-9) then
257                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
258                  IF ((ql(i,k)/zneb(i)).gt.lconvert)THEN ! precipitate!
259                     d_ql(i,k) = -MAX((ql(i,k)-lconvert*zneb(i)),0.0)
260                     zrfl(i)   = zrfl(i) - d_ql(i,k)*l2c(i,k)/ptimestep
261                  ENDIF
262               ENDIF
263            ENDDO
264
265         elseif (precip_scheme.ge.2) then
266         
267           DO i = 1, ngrid
268               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
269                  zoliq(i) = ql(i,k)
270                  zrho(i)  = pplay(i,k) / ( zt(i,k) * R )
271                  zdz(i)   = (pplev(i,k)-pplev(i,k+1)) / (zrho(i)*g)
272                  zfrac(i) = (zt(i,k)-T_h2O_ice_clouds) / (T_h2O_ice_liq-T_h2O_ice_clouds)
273                  zfrac(i) = MAX(zfrac(i), 0.0)
274                  zfrac(i) = MIN(zfrac(i), 1.0)
275                  zneb(i)  = MAX(rneb(i,k), seuil_neb)
276               ENDIF
277           ENDDO
278
279 !recalculate liquid water particle radii
280           call h2o_cloudrad(ngrid,ql,reffh2oliq,reffh2oice)
281
282           SELECT CASE(precip_scheme)
283 !precip scheme from Sundquist 78
284           CASE(2)
285
286            DO n = 1, ninter
287               DO i = 1, ngrid
288                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
289                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
290
291                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale)) * zoliq(i)      &
292                          * (1.0-EXP(-(zoliq(i)/zneb(i)/cloud_sat)**2)) * zfrac(i)
293                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
294                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
295                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
296                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
297
298                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
299                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
300                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
301
302                  ENDIF
303               ENDDO
304            ENDDO           
305
306 !precip scheme modified from Sundquist 78 (in q**3)
307           CASE(3)         
308           
309            DO n = 1, ninter
310               DO i = 1, ngrid
311                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
312                     ! this is the ONLY place where zneb, precip_timescale and cloud_sat are used
313
314                     zchau(i) = (ptimestep/(FLOAT(ninter)*precip_timescale*cloud_sat**2)) * (zoliq(i)/zneb(i))**3 
315                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
316                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
317                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
318                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
319
320                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
321                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
322                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
323
324                  ENDIF
325               ENDDO
326            ENDDO           
327
328 !precip scheme modified from Boucher 95
329           CASE(4)
330
331            DO n = 1, ninter
332               DO i = 1, ngrid
333                  IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
334                     ! this is the ONLY place where zneb and c1 are used
335
336                     zchau(i) = ptimestep/FLOAT(ninter) *c1* zrho(i) &
337                                    *(zoliq(i)/zneb(i))**2*reffh2oliq(i,k)*zneb(i)* zfrac(i)
338                     zrhol(i) = zrho(i) * zoliq(i) / zneb(i)
339                     zfroi(i) = ptimestep/FLOAT(ninter)/zdz(i)*zoliq(i)    &
340                          *fall2v(reffh2oice(i,k)) * (1.0-zfrac(i)) ! zfroi behaves oddly...
341                     ztot(i)  = zchau(i) + zfroi(i)
342
343                     IF (zneb(i).EQ.seuil_neb) ztot(i) = 0.0
344                     ztot(i)  = MIN(MAX(ztot(i),0.0),zoliq(i))
345                     zoliq(i) = MAX(zoliq(i)-ztot(i), 0.0)
346
347                  ENDIF
348               ENDDO
349            ENDDO           
350
351           END SELECT ! precip_scheme
352
353            ! Change in cloud density and surface H2O values
354            DO i = 1, ngrid
355               IF (rneb(i,k).GT.0.0) THEN
356                  d_ql(i,k) = (zoliq(i) - ql(i,k))!/ptimestep
357                  zrfl(i)   = zrfl(i)+ MAX(ql(i,k)-zoliq(i),0.0)*l2c(i,k)/ptimestep
358               ENDIF
359            ENDDO
360
361
362         endif ! if precip_scheme=1
363
364 9999 continue
365
366!     Rain or snow on the ground
367      DO i = 1, ngrid
368         if(zrfl(i).lt.0.0)then
369            print*,'Droplets of negative rain are falling...'
370            call abort
371         endif
372         IF (t(i,1) .LT. T_h2O_ice_liq) THEN
373            dqssnow(i) = zrfl(i)
374            dqsrain(i) = 0.0
375         ELSE
376            dqssnow(i) = 0.0
377            dqsrain(i) = zrfl(i) ! liquid water = ice for now
378         ENDIF
379      ENDDO
380
381!     now subroutine -----> GCM variables
382      DO k = 1, nlayermx
383         DO i = 1, ngrid
384           
385            if(evap_prec)then
386               dqrain(i,k,i_vap) = d_q(i,k)/ptimestep
387               d_t(i,k)          = d_t(i,k)/ptimestep
388            else
389               dqrain(i,k,i_vap) = 0.0
390               d_t(i,k)          = 0.0
391            endif
392            dqrain(i,k,i_ice) = d_ql(i,k)/ptimestep
393         
394         ENDDO
395      ENDDO
396
397      RETURN
398    end subroutine rain
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.